光刻機產業鏈分析

光刻機產業鏈全景圖

光刻機組成及整體結構

DUV是目前應用極為廣泛的光刻機類型，主要包括光源系統、光學系統(照明+投影)、雙工作臺、掩膜版、晶圓傳送系統等子系統，技術相對較為成熟。DUV光刻機工作原理為：激光光源產生深紫外光，經過照明系統的均化、成型等照射至掩膜，最后經物鏡投影至Wafer,目前投影系統4:1的掩膜圖像轉移比例較為常見。按照光源波長劃分，DUV主要有248nm和193nm兩種，對應KrF和ArF準分子激光光源;按照物鏡的出射介質劃分，DUV可分為干式和浸沒式兩種，浸沒式是將投影物鏡出射處采用水介質，可增加光刻機NA值，提高分辨率。

EUV整體結構與DUV類似，也是由光源系統、照明系統、投影系統、雙工作臺以及掩膜版、晶圓傳送臺等子系統構成。EUV是目前最先進的光刻設備，對各子系統的精密度要求極高，目前EUV市場被ASML公司壟斷。光源系統、光學系統是EUV區別于DUV的主要差異所在，High-NA是EUV設備未來的重要發展方向。EUV光源波長為13.5nm，極短的波長意味著EUV紫外光幾乎能被所有物質吸收，因此DUV的透鏡光學系統無法復用，只能采用反射式光學系統。

光刻機上游市場

一、鏡頭

光學鏡頭是光刻機中重要的組成部分之一，其作用是對光線進行聚焦，在光刻膠層中形成所需的圖案。在光刻的過程中，如果使用的光學鏡頭精度不夠高，會對芯片的成品率和性能造成很大影響。

光學鏡頭的質量會直接影響到光刻機的分辨率、像差、畸變等關鍵參數，如果這些參數無法保證，會顯著影響制造芯片的成品率和性能。

二、光源

光刻機的常見光源有：汞燈，LED燈，準分子激光器，EUV光源。

汞燈

汞燈作為光刻機的光源具有悠久的歷史，也是光刻機中目前最普遍的光源。汞燈屬于氣體放電燈的一種，其中充滿了低壓的汞蒸汽。當電流通過燈時，汞蒸汽中的電子會受到激發，從而發射光。發出的光的波長與汞的原子特性有關。因此叫做汞燈。

主要特點：

發光特性：汞燈的發光主要分布在幾個特定的紫外和可見光波段，最常見的波長為365nm，405nm和436nm。

壽命：雖然汞燈的壽命相對有限，但在其保質期種，光的輸出相對穩定。一旦達到壽命末期，其亮度和穩定性可能會顯著下降。

熱量：汞燈在操作時會產生大量的熱量，因此需要有效的冷卻系統。

LED燈

LED(發光二極管)的發光原理基于半導體材料的電致發光效應。近年來作為光刻機的光源，在光刻機市場中的比重越來越大。

LED作為光刻機光源優勢：

長壽命：與汞燈相比，LED具有更長的使用壽命。

不發熱：汞燈的外殼在長時間工作后會變得很熱，與傳統的汞燈等光源相比，LED發出的熱量較少。屬于冷光源

LED雖好，但是相對于汞燈，價格更貴。

準分子激光器

準分子激光是半導體制造中常用的深紫外(DUV)光源之一。它是一種特殊類型的氣體激光，利用氣體分子束的放電來產生激光，當放電發生時，它會引起準分子從一個高能態轉移到低能態，釋放出特定波長的光。準分子激光一般分為三種，分別是：KrF，ArF，F2

KrF(氪氟)準分子激光：

波長：248nm

應用：由于它的中等波長特性，KrF在多年前的半導體生產中起到了主導作用，特別是在大約180nm到130nm的技術節點。

ArF(氬氟)準分子激光：

波長：193nm

應用：ArF準分子激光因其較短的波長被用于更先進的技術節點，特別是在90nm到45nm的范圍內。隨著光刻技術的進步，如浸潤光刻，ArF激光器也開始被用于更小的特征尺寸。

F2(氟)準分子激光：

波長：157nm

應用：F2準分子激光的波長非常短，理論上可以達到非常高的分辨率。然而，由于這個波長的實際應用中存在的技術挑戰，它并未被廣泛采用。

EUV光源

EUV光源主要是通過高功率CO2激光照射錫(Sn)微滴產生的。這個過程產生一個高溫的等離子體，該等離子體發射出13.5nm的EUV光。

光刻機核心系統

一、光源系統

光源系統為光刻機提供光源，是光刻工藝中不可或缺的部分。

光源經歷了從汞燈到準分子激光，再到極紫外光(EUV)的演進，滿足了不同制程節點對光源波長的需求。

ASML光刻機使用的EUV光源波長為13.5納米，能實現3納米等先進制程的芯片生產。

二、光路系統

光路系統負責將光源發出的光束進行整形、勻化后照明掩膜面，再由投影物鏡系統將掩膜面上的圖形復制到硅片表面。

照明系統光路中包括擴束準直、傳輸、光瞳整形單元和照明勻化單元，以實現特定分布的照明光場。

中繼鏡組位于掃描狹縫與掩膜版之間，負責將照明光場中繼成像到掩膜面上。

三、雙工件臺系統

雙工件臺系統由掩膜臺、硅片臺和控制系統組成，實現了雙臺交替配合，大幅提升了設備產能。

硅片臺具有雙運動臺結構，粗動臺負責大行程運動，微動臺實現納米級別的精確定位。

雙工件臺系統要求對準精度高、運動速度快、運作穩定，以滿足高效率、高精度的芯片制造需求。

四、測量系統

測量系統負責晶圓精確曝光，直接影響套刻精度。

主流技術方案包括雙頻激光干涉儀和二維光柵測試系統，用于測量晶圓六自由度的位移。

定位誤差在誤差分配中通常占總套刻誤差的十分之一，因此超精密位移測量系統是光刻機不可或缺的關鍵子系統之一。

五、聚焦系統

聚焦系統確保光刻膠在晶圓表面的高度差在焦深范圍內，避免失焦導致缺陷。

聚焦系統通過水平傳感系統完成晶圓表面平整度的測量，并在曝光過程中不斷調整晶圓位置。

六、光刻對準系統

光刻對準系統負責把掩膜上的圖形和晶圓上已經有的圖形對準，以保證曝光后圖形之間的準確套刻。

主要過程包括掩膜的預對準和定位、晶圓的預對準、掩膜工件臺與晶圓工作臺之間的對準、掩膜與晶圓的對準四個步驟。

七、框架/減振/環境控制系統

框架/減振/環境控制系統為光刻機提供穩定的工作環境和精確的機械支撐。

減振系統減少外部振動對光刻精度的影響，環境控制系統確保光刻過程中溫度、濕度等參數的穩定。

八、傳輸系統

傳輸系統包括掩模傳輸系統和硅片傳輸系統，負責在光刻過程中快速、準確地傳輸掩模和硅片。

高效的傳輸系統能夠減少生產過程中的停機時間，提高設備利用率。

光刻機下游市場分析

一、晶圓制造市場

據Counterpoint Research，由于疲軟的內存支出、宏觀經濟放緩、庫存調整以及智能手機和 PC 等終端市場需求低迷，2023 年全球五大晶圓廠設備制造商的營收同比下降 1% 至 935 億美元。在這五家廠商中，僅有 ASML 和應用材料實現同比增長，而泛林研究、東京電子和 KLA 的收入分別同比下降 25%、22% 和 8%。得益于深紫外 (DUV) 和極紫外 (EUV) 光刻機的強勁銷售，ASML 在 2023 年拔得頭籌。

庫存調整和內存市場下行趨勢嚴重影響了整體營收。然而，下半年庫存逐漸正常化以及 DRAM 需求回升，幫助抑制了全年營收的整體跌幅。

晶圓代工領域的收入在 2023 年同比增長 16%，得益于 GAA 架構的逐步采用以及各領域客戶(包括物聯網、人工智能、云計算、汽車和 5G)對成熟制程設備的強勁投資。

由于整體內存 WFE 支出疲軟，尤其是 NAND Flash 方面，內存領域的收入在 2023 年同比下跌 25%。不過，由于 2023 年下半年 DRAM 市場表現強勁，下跌趨勢有所緩解。

中國大力推進芯片自主化、增加落后制程 DRAM 出貨量、強勁的 DRAM 需求以及成熟制程增長投資共同推動了中國大陸的設備銷售額同比增長 31%，占 2023 年全球系統銷售額的三分之一左右。

GAA 技術的逐步采用、人工智能、汽車和物聯網領域的支出增長、新晶圓廠投產、DRAM 技術節點升級以支持 HBM 存儲器、以及改善的 NAND Flash 支出將推動 2024 年 WFE 市場增長。

二、半導體市場

2023年全球半導體行業規模達到5268億美元，較2022年下降了8.2%。這一數據反映了半導體行業在宏觀經濟波動下的周期性調整。

2023年半導體市場需求顯得疲軟，而原件供應卻有所增加，導致市場形勢出現逆轉。盡管如此，在特定領域如AI和汽車應用中，半導體需求卻呈現出顯著的增長態勢。

在AI領域，英偉達成為最大的贏家。該公司在2023年實現了驚人的490億美元半導體收入，相比前一年猛增134%，更是2019年的4倍以上。同時，另一明星產品AI內存HBM也在整體存儲半導體市場衰退的情況下，實現了127%的位元增長率，預計今年還將繼續保持強勁增長。

此外，隨著電動汽車市場的不斷擴大和智能化水平的提高，汽車行業對半導體的需求也在持續增長。報告顯示，2023年汽車行業半導體產值達到了750億美元，同比增長15%，已占整體半導體市場的14%。

在企業排名方面，盡管英特爾仍位居榜首，但其營收額下滑了15.8%，降至511.97億美元。而英偉達則憑借AI領域的強勁表現，以491.61億美元的營收首次躋身至全球半導體營收第二名。與此同時，受存儲市場低迷影響，三星電子的營收僅為443.74億美元，跌出了前兩名。

此次排名前十的企業還包括高通、博通、SK海力士、AMD、蘋果、英飛凌和意法半導體。這些企業在半導體行業中占據重要地位，其業績表現對整個行業的發展具有重要影響。